JP2009176550A - 非水系二次電池用電極板およびこれを用いた非水系二次電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】電極板に過電流遮断機能を有する部位を複数箇所設け、短絡電流未満の電流が流れるとこの過電流遮断機能を有する部位が溶断する構成としたことにより、内部短絡等による急激な発熱反応が起こった場合でも、発熱に対して速い応答性で電流遮断することが可能であり、熱暴走等を引き起こす事態を回避でき、安全性に優れた非水系二次電池を提供することを目的とする。
【解決手段】溶断機能をもつ多数の空孔を形成するように連続した金属線状部26からなる集電体を正極集電体および負極集電体のいずれかに用いる。
【選択図】図2
【解決手段】溶断機能をもつ多数の空孔を形成するように連続した金属線状部26からなる集電体を正極集電体および負極集電体のいずれかに用いる。
【選択図】図2
Description
本発明は、リチウムイオン電池に代表される非水系二次電池用電極板およびこれを用いた非水系二次電池に関し、特に安全性を高めた非水系二次電池に関するものである。
近年、携帯用電子機器の電源として利用が広がっているリチウム二次電池は、負極にリチウムの吸蔵および放出が可能な炭素質材料等を用い、正極にLiCoO2等の遷移金属とリチウムの複合酸化物を活物質として用いており、これによって高電位で高放電容量の二次電池を実現しているが、近年の電子機器および通信機器の多機能化に伴って、さらなる高容量化が望まれている。これらのリチウム二次電池において、高容量化が進む一方で重視すべきは安全対策であり、特に正極板と負極板とが内部短絡することによる急激な温度上昇を抑止することが極めて重要である。
従来、この対策として一般的には、ポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)のようなオレフィン系ポリマーを用いてセパレータを構成し、これを正極板と負極板との間に介在させることで、二次電池内に過大な電流が流れることで発生する発熱によりセパレータの微多孔を閉鎖する(シャットダウン機能)ことで安全性を確保している。しかしながら、ポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)等の融点が120〜170℃のポリマーをセパレータに用いた場合、シャットダウン後も温度上昇が続いてしまうと、セパレータ自体が溶融してしまい、電流遮断機能が消失してしまうという課題がある。
前記課題に対し電池反応を化学的に抑制する手段として、例えば図6に示すように正極集電体71に形成した正極活物質層72の表面、または負極集電体74に形成した負極活物質層75の表面の少なくとも一方の面に、熱可塑性又は熱硬化性の樹脂76と、熱可塑性又は熱硬化性の樹脂を溶解する溶媒Aと、熱可塑性又は熱硬化性の樹脂を溶解しない溶媒Bと、難燃剤、消炎剤を内包した多孔質マイクロカプセル77とを含む溶液を塗布し乾燥させて多孔質膜を形成したものをセパレータ73として用いることが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
また、異常時に電流遮断する手段として、例えば図7に示すように熱敏感性抵抗体(図示せず)に120〜170℃の範囲に融点を持つ熱可塑性樹脂の隔壁で形成した中空バルーン表面にニッケルもしくは銅を被覆した導電性マイクロビーズにより構成される熱敏感性抵抗体層83を正極集電体81の表面に形成後、正極活物質層84を形成し、また負極集電体82の表面に熱敏感性抵抗体層83を形成後、負極活物質層85を形成し、それらの間にセパレータ86を介して渦巻状に巻回することで温度上昇時に抵抗値を増大させることが提案されている(例えば、特許文献2参照)。
あるいは、内部短絡による電池の熱暴走を未然に防止する手段として、図8に示すように集電体91に電極活物質92を塗布形成した正極板93の正極集電耳部94にヒューズ95を介して正極リード96を接続し、この正極集電耳部94およびヒューズ95に絶縁マスキング97を施すことで、内部短絡が発生した時にヒューズ95を溶断させることが提案されている(例えば、特許文献3参照)。
特開2004−119132号公報
特開平10−50294号公報
特開平8−50920号公報
しかしながら、電池反応を化学的に抑制するあるいは異常時に電流遮断する上述した従来技術においては、内部短絡等による電池の温度上昇時に速い応答速度で温度上昇に対応し電池の熱暴走を効果的に抑止することが困難であるという課題を有していた。
さらに詳しくは、上述した特許文献1における電池反応を化学的に抑制する従来技術においては、内部短絡等による電池の温度上昇時にマイクロカプセルの内包物質が効果的に放出されなかったり、または内包物質の放出が電池の温度上昇に追いつかなかったり、あるいは仮に内包物質が放出されてもこれが作用して起きる電池反応抑制効果を急激に発揮させることも困難であるため、電池の熱暴走を効果的に抑止することは難しい。
また、上述した特許文献2における電池内での導電状態の阻害を物理的に行う従来技術においては、充放電反応を繰り返すうちに電極板における活物質合剤と集電体との密着性を低下させてしまう、あるいは活物質合剤中の導電性を低下させる懸念があり、結果としてサイクル特性等の電池特性を劣化させてしまうことになる。
さらに、上述した特許文献3におけるヒューズを溶断させる従来技術においては、短絡箇所から発熱が起こり、この発熱反応が電極板全体に広がるまではヒューズが溶断しないため、正極集電体と負極活物質合剤との接触による急激な異常発熱を効果的に抑止することは難しい。
本発明は上記従来の課題を鑑みてなされたもので、内部短絡等による急激な発熱反応が起こった場合でも発熱に対して速い応答性で電流遮断することが可能であり電池の熱暴走等を引き起こす事態を回避でき安全性に優れた非水系二次電池を提供することを目的とするものである。
上記従来の課題を解決するために本発明の非水系二次電池用電極板は、少なくともリチウム含有複合酸化物よりなる活物質、導電材および結着剤を分散媒にて混練分散した正極合剤塗料を正極集電体上に塗布して構成される正極板あるいは少なくともリチウムを保持しうる材料よりなる活物質および結着剤を分散媒にて混練分散した負極合剤塗料を負極集電体上に塗布して構成される負極板からなる非水系二次電池用電極板であって、正極集電体または負極集電体の少なくともいずれか一方が多数の空孔を形成するように連続した金属線状部からなる多孔質金属体で構成され、かつ電極板に過電流が流れた際に多孔質金属体の連通した金属線状部を溶断するように構成したことを特徴とするものである。
本発明の非水系二次電池用電極板によると、正極集電体または負極集電体の少なくともいずれか一方が多数の空孔を形成するように連続した金属線状部からなる多孔質金属体で構成され、かつ電極板に過電流が流れた際に多孔質金属体の連通した金属線状部を溶断するように構成したことにより、内部短絡等による急激な発熱反応が起こった場合でも発熱に対して速い応答性で電流遮断することが可能であり、熱暴走反応等を引き起こす事態を回避できる。
本発明の第1の発明においては、少なくともリチウム含有複合酸化物よりなる活物質、導電材および結着剤を分散媒にて混練分散した正極合剤塗料を正極集電体上に塗布して構成される正極板あるいは少なくともリチウムを保持しうる材料よりなる活物質および結着剤を分散媒にて混練分散した負極合剤塗料を負極集電体上に塗布して構成される負極板からなる非水系二次電池用電極板であって、正極集電体または負極集電体の少なくともいず
れか一方が多数の空孔を形成するように連続した金属線状部からなる多孔質金属体で構成され、かつ電極板に過電流が流れた際に多孔質金属体の連通した金属線状部を溶断するように構成したことにより、内部短絡等による急激な発熱反応が起こった場合でも三次元多孔体により形成される電流の通過する断面積の小さい金属線状部を溶断するように構成したことにより発熱に対して速い応答性で電流遮断することが可能である。
れか一方が多数の空孔を形成するように連続した金属線状部からなる多孔質金属体で構成され、かつ電極板に過電流が流れた際に多孔質金属体の連通した金属線状部を溶断するように構成したことにより、内部短絡等による急激な発熱反応が起こった場合でも三次元多孔体により形成される電流の通過する断面積の小さい金属線状部を溶断するように構成したことにより発熱に対して速い応答性で電流遮断することが可能である。
本発明の第2の発明においては、三次元に連なった連続気孔を有する多孔質金属体により、多孔質金属体の格子部に断面積の小さな箇所が形成でき、内部短絡等による急激な発熱反応が起こった場合でも金属多孔体により形成される電流の通過する断面積の小さい金属線状部を溶断するように構成したことにより発熱に対して速い応答性で電流遮断することが可能である。
本発明の第3の発明においては、三次元多孔質金属体の気孔率を60以上85%以下としたことにより、多孔質金属体の格子部に断面積の小さな箇所が形成でき、内部短絡等による急激な発熱反応が起こった場合でも金属多孔体により形成される電流の通過する断面積の小さい金属線状部を溶断するように構成したことにより発熱に対して速い応答性で電流遮断することが可能である。
本発明の第4の発明においては、三次元多孔質金属体を発泡メタルにより構成したことにより、三次元多孔質金属体の断面積が小さいことにより過電流遮断機能を有する部位が内部短絡等による急激な発熱反応が起こった場合でも発泡メタルによりにより形成される電流の通過する断面積の小さい金属線状部を溶断するように構成したことにより発熱に対して速い応答性で電流遮断することが可能である。
本発明の第5の発明においては、三次元多孔質金属体を金属繊維よりなる焼結体で構成したことにより、三次元多孔質金属体の断面積が小さいことにより過電流遮断機能を有する部位が内部短絡等による急激な発熱反応が起こった場合でも金属繊維よりなる焼結体によりにより形成される電流の通過する断面積の小さい金属線状部を溶断するように構成したことにより発熱に対して速い応答性で電流遮断することが可能である。
本発明の第6の発明においては、二次元に連なった連続気孔を有する多孔質金属体により、多孔質金属体の格子部に断面積の小さな箇所が形成でき、内部短絡等による急激な発熱反応が起こった場合でも金属多孔体により形成される電流の通過する断面積の小さい金属線状部を溶断するように構成したことにより発熱に対して速い応答性で電流遮断することが可能である。
本発明の第7の発明においては、二次元多孔質金属体がエキスパンドメタルにより構成されることにより、三次元多孔体を形成し断面積が小さいことにより過電流遮断機能を有する部位が内部短絡等による急激な発熱反応が起こった場合でも発泡メタルによりにより形成される電流の通過する断面積の小さい金属線状部を溶断するように構成したことにより発熱に対して速い応答性で電流遮断することが可能である。
本発明の第8の発明においては、二次元多孔質金属体がパンチングメタルにより構成されることにより、三次元多孔体を形成し断面積が小さいことにより過電流遮断機能を有する部位が内部短絡等による急激な発熱反応が起こった場合でも発泡メタルによりにより形成される電流の通過する断面積の小さい金属線状部を溶断するように構成したことにより発熱に対して速い応答性で電流遮断することが可能である。
本発明の第9の発明においては、第1から5の発明のいずれか一つに記載の非水系二次電池用電極板と対極となる電極板とをセパレータを介して巻回または積層して構成した電
極群を非水系電解液とともに電池ケースに封入して非水系二次電池を構成することにより、断面積の小さい金属線状部の過電流遮断機能により発熱に対して速い応答性で電流遮断することが可能である。
極群を非水系電解液とともに電池ケースに封入して非水系二次電池を構成することにより、断面積の小さい金属線状部の過電流遮断機能により発熱に対して速い応答性で電流遮断することが可能である。
ここで「溶断」とは集電体に大電流が流れたときジュール熱により、集電体の少なくとも大電流発生箇所の周辺部分が溶解して電流遮断する機能を言う。
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。例えば、図1に示されるように本発明の非水系二次電池では、複合リチウム酸化物を活物質とする正極板5とリチウムを保持しうる材料を活物質とする負極板7とをセパレータ9を介して渦巻状に巻回した電極群4を作製した後、この電極群4を有底円筒形の電池ケース1の内部に絶縁板15と共に収容し、電極群4の下部より導出した負極リード8を電池ケース1の底部に接続し、次いで電極群4の上部より導出した正極リード6を封口板2に接続し、電池ケース1に所定量の非水溶媒からなる電解液(図示せず)を注液した後、電池ケース1の開口部に封口ガスケット3を周縁に取り付けた封口板2を挿入し、電池ケース1の開口部を内方向に折り曲げてかしめ封口している。
ここで、本発明においては正極板5を構成する正極集電体21および負極板7を構成する負極集電体22のいずれか一方に多数の空孔を形成するように連続した金属線状部からなる多孔質の構造をもつ集電体を用いることにより内部短絡時に短絡による電流が多孔質な集電体の断面積の小さな部位を通過する時のジュール発熱により金属線状部を局所的に溶かし、短絡電流の通過経路を断つ過電流遮断機能部位として機能させる構成としている。
図2は本発明における非水二次電池用電極板の部分断面を示した模式図である。図2は正極集電体21として三次元多孔体構造を有する集電体を用いた場合について説明するが、正極集電体21にのみ限定されるものではない。図2は巻回された状態の電極群4に異物20が入り、内部短絡を起こした状態を示している。
ここで、短絡電流25は図中の矢印で示したように異物20に接する正極集電体21の短絡面から負極集電体22へ流れ、短絡電流により正極集電体21、異物20、負極集電体22はジュール熱を発生し、電池内部の温度は上昇する。このジュール熱が発生する過程において三次元多孔体構造を有する正極集電体21における複数の断面積の最小部位はその断面積の小ささから最も早く温度上昇し溶解して電気的導通機能を消失することで、異物20と三次元多孔体構造を有する正極集電体21は溶断しセパレータ9、負極集電体22が溶解する前に正極集電体の溶断した箇所において短絡電流25を止め、正負極間の電位も通常の電位に戻り、電池の熱暴走に至る短絡電流の拡大を防ぐことができる。
次に、正極板5および負極板7の作製方法について具体的に説明する。まず正極板5については特に限定されないが、アルミニウムやアルミニウム合金製のエキスパンドメタル、発泡メタル、アルミニウムよりなる金属繊維の焼結体等を用いることができ、厚みが5μm〜30μmを有する正極集電体21の片面または両面に正極活物質、導電材、結着剤とを分散媒中にプラネタリーミキサー等の分散機により混合分散させた正極合剤塗料を塗布、乾燥、圧延して正極合剤層23を形成することにより作製される。
正極活物質としては、例えばコバルト酸リチウムおよびその変性体(コバルト酸リチウムにアルミニウムやマグネシウムを固溶させたものなど)、ニッケル酸リチウムおよびその変性体(一部ニッケルをコバルト置換させたものなど)、マンガン酸リチウムおよびその変性体などの複合酸化物を挙げることができる。
このときの導電材としては、例えばアセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック、各種グラファイトを単独あるいは組み合わせて用いても良い。
このときの正極用結着剤としては、例えばポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリフッ化ビニリデンの変性体、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、アクリレート単位を有するゴム粒子結着剤等を用いることができ、この際に反応性官能基を導入したアクリレートモノマー、またはアクリレートオリゴマーを結着剤中に混入させることも可能である。
一方、負極板7についても特に限定されないが、銅、銅合金のエキスパンドメタル、発泡メタル、金属繊維の焼結体等を用いることができ、厚みが5μm〜25μmを有する負極集電体22の片面または両面に負極活物質,結着剤、必要に応じて導電材、増粘剤とを分散媒中にプラネタリーミキサー等の分散機により混合分散させた負極の合剤塗料を塗布、乾燥、圧延して負極合剤層24を形成することにより作製される。
負極用活物質としては、各種天然黒鉛および人造黒鉛、シリサイドなどのシリコン系複合材料および各種合金組成材料を用いることができる。
このときの負極用結着剤としてはPVdFおよびその変性体をはじめ各種バインダーを用いることができるが、リチウムイオン受入れ性向上の観点から、スチレン−ブタジエン共重合体ゴム粒子(SBR)およびその変性体等を用いることもできる。
増粘剤としては、ポリエチレンオキシド(PEO)やポリビニルアルコール(PVA)などの水溶液として粘性を有する材料であれば特に限定されないが、カルボキシメチルセルロース(CMC)をはじめとするセルロース系樹脂およびその変性体が、合剤塗料の分散性,増粘性の観点から好ましい。
セパレータ9については、リチウムイオン二次電池の使用範囲に耐えうる組成であれば特に限定されないが、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのオレフィン系樹脂の微多孔フィルムを、単一あるいは複合して用いるのが一般的でありまた態様として好ましい。このセパレータ9の厚みは特に限定されないが、10〜25μmとすれば良い。
さらに、電解液については、電解質塩としてLiPF6およびLiBF4などの各種リチウム化合物を用いることができる。また溶媒としてエチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、メチルエチルカーボネート(MEC)を単独および組み合わせて用いることができる。また正負極板上に良好な皮膜を形成させる、あるいは過充電時の安定性を保証するために、ビニレンカーボネート(VC)やシクロヘキシルベンゼン(CHB)およびその変性体を用いることも好ましい。
本発明の具体的な実施例について図面を参照しながらさらに詳しく説明する。本発明における実施例1として集電体に三次元多孔体の構造をもつアルミニウムの発泡メタルを正極集電体21に用いた実施例について以下に説明する。
まず、正極活物質としてコバルトの一部をニッケルおよびマンガンで置換したコバルト酸リチウムを100重量部、導電剤としてアセチレンブラックを活物質100重量部に対して2重量部、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを活物質100重量部に対して2重量部とを適量のN−メチル−2−ピロリドンと共に双腕式練合機にて攪拌し混練することで
、正極合剤塗料を作製した。
、正極合剤塗料を作製した。
次いで、この正極合剤塗料を図3(a)に示すような気孔率80%の三次元多孔体の構造をもち、厚みが15μmであるアルミニウムからなる発泡メタルの正極集電体21の両面に塗布乾燥した後に総厚が127μmとなるようにプレスすることで、図2に示したように正極合剤層23の片面厚みが56μmとなるように、正極集電体21上に正極合剤層23を形成した後、図1に示した円筒形のリチウムイオン二次電池で規定する幅にスリット加工し正極板5を作製した。
一方、負極活物質として人造黒鉛を100重量部、結着剤としてスチレン−ブタジエン共重合体ゴム粒子分散体(固形分40重量%)を活物質100重量部に対して2.5重量部(結着剤の固形分換算で1重量部)、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースを活物質100重量部に対して1重量部、および適量の水とともに双腕式練合機にて攪拌し、負極合剤塗料を作製した。
次いで、この塗料を厚みが10μmである銅箔からなる負極集電体22の両面に塗布乾燥した後に総厚が150μmとなるようにプレスすることで、負極合剤層24の片面厚みが70μmとなるように、銅箔からなる負極集電体22上に負極合剤層24を形成した後、図1に示した円筒形のリチウムイオン二次電池で規定する幅にスリット加工し負極板7を作製した。
これらの正極板5、負極板7および厚みが20μmであるセパレータ9を巻回構成し、所定の長さで切断して電池ケース1内に挿入し、EC・DMC・MEC混合溶媒にLiPF6を1MとVCを3重量部溶解させた電解液を、添加して封口し、図1に示すような円筒形のリチウムイオン二次電池を作製し実施例1とした。
上記円筒形のリチウムイオン二次電池を評価するために、図2の電極群4の中に意図的に平均粒子形が30μm前後の鉄粉を混入させ、この二次電池を過充電し二次電池の表面温度を測定した。その結果、表面温度が80℃以上に上昇した二次電池は無かった。その後、これらの二次電池の中で80℃以下ではあるが温度上昇があった二次電池を分解して内部を観察した。
その結果、図2に示したように電極群4中に混入した異物20が負極集電体22の両面に負極合剤層24を塗着した負極板7およびセパレータ9を貫通して正極集電体21の両面に正極合剤層23を塗着した正極板5における正極合剤層23と負極集電体22が接触し内部短絡を起こしており、かつ図2中にAで示した内部短絡箇所の拡大図を図3(b)に示したように異物20の周辺部に金属線状部26が溶断している箇所21aが確認された。
以上の結果より上記円筒形のリチウムイオン二次電池において、図2に示したように何らかの要因により電極群4中に異物20が混入し内部短絡を起こした場合には、セパレータ9を貫通して負極集電体22と正極合剤層23が接触することで、この接触箇所で急激な発熱反応が起こり、三次元多孔体構造をもつ発砲メタルである金属線状部26が溶断して電流遮断するため熱暴走反応は抑止されることになるものと考えられる。
なお上記の実施例1においては、正極板5のみに三次元多孔体の構造をもつ発砲メタルを用いたが、これに限定されるものではなく、正極板5と負極板7の両方に三次元多孔体の構造をもつ発砲メタルを用いても同様の効果を得ることが可能である。
本発明における実施例2として集電体に三次元多孔体の構造をもつ金属繊維よりなる焼結体を正極集電体21に用いた実施例について以下に説明する。
まず、正極活物質としてコバルトの一部をニッケルおよびマンガンで置換したコバルト酸リチウムを100重量部、導電剤としてアセチレンブラックを活物質100重量部に対して2重量部、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを活物質100重量部に対して2重量部とを適量のN−メチル−2−ピロリドンと共に双腕式練合機にて攪拌し混練することで、正極合剤塗料を作製した。ここで正極活物質としてのニッケル酸リチウムは平均粒子径が8μmのものを用い15μm〜25μmの粒子径のものを0.5重量%含有させたものを用いた。
次いでこの塗料を図4(a)に示すような気孔率70%の三次元多孔体の構造をもち、厚みが15μmであるアルミニウムからなる金属繊維よりなる焼結体の正極集電体21の両面に塗布乾燥した後に総厚が127μmとなるようにプレスすることで、図2に示したように正極合剤層23の片面厚みが56μmとなるように、正極集電体21上に正極合剤層23を形成した後、図1に示した円筒形のリチウムイオン二次電池で規定する幅にスリット加工し正極板5を作製した。
一方、負極活物質として人造黒鉛を100重量部、結着剤としてスチレン−ブタジエン共重合体ゴム粒子分散体(固形分40重量%)を活物質100重量部に対して2.5重量部(結着剤の固形分換算で1重量部)、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースを活物質100重量部に対して1重量部、および適量の水とともに双腕式練合機にて攪拌し、負極合剤塗料を作製した。
次いで、この負極合剤塗料を厚みが10μmである銅箔からなる負極集電体22の両面に塗布乾燥した後に総厚が150μmとなるようにプレスすることで、負極合剤層24の片面厚みが70μmとなるように、銅箔の負極集電体22上に負極合剤層24を形成した後、図1に示した円筒形のリチウムイオン二次電池で規定する幅にスリット加工し負極板7を作製した。
これらの正極板5、負極板7および厚みが20μmであるセパレータ9を巻回構成し、所定の長さで切断して電池ケース1内に挿入し、EC・DMC・MEC混合溶媒にLiPF6を1MとVCを3重量部溶解させた電解液を、添加して封口し、図1に示すような円筒形のリチウムイオン二次電池を作製し実施例2とした。
上記円筒形のリチウムイオン二次電池を評価するために、図2の電極群4の中に意図的に平均粒子形が30μm前後の鉄粉を混入させ、この二次電池を過充電し二次電池の表面温度を測定した。その結果、表面温度が80℃以上に上昇した二次電池は無かった。その後、これらの二次電池の中で80℃以下ではあるが温度上昇があった二次電池を分解して内部を観察した。
その結果、図2に示したように電極群4中に混入した異物20が負極集電体22の両面に負極合剤層24を塗着した負極板7およびセパレータ9を貫通して正極集電体21の両面に正極合剤層23を塗着した正極板5における正極合剤層23と負極集電体22が接触し内部短絡を起こしており、かつ図2中にAで示した内部短絡箇所の拡大図を図4(b)に示したように異物20の周辺部に金属線状部が溶断している箇所21aが確認された。
以上の結果より上記円筒形のリチウムイオン二次電池において、図4(a)に示したように何らかの要因により電極群4中に異物20が混入し内部短絡を起こした場合には、セパレータ9を貫通して負極集電体22と正極合剤層23が接触することで、この接触箇所
で急激な発熱反応が起こり、三次元多孔体構造をもつ金属繊維よりなる焼結体である金属線状部が溶断して電流遮断するため熱暴走反応は抑止されることになるものと考えられる。
で急激な発熱反応が起こり、三次元多孔体構造をもつ金属繊維よりなる焼結体である金属線状部が溶断して電流遮断するため熱暴走反応は抑止されることになるものと考えられる。
なお上記実施例1においては、正極板5のみに三次元多孔体の構造をもつ金属繊維よりなる焼結体を用いたが、これに限定されるものではなく、正極板5と負極板7の両方に三次元多孔体の構造をもつ金属繊維よりなる焼結体を用いても同様の効果を得ることが可能である。
本発明における一実施の形態として集電体に二次元に連なった多孔体の構造をもつエキスパンドメタルを正極集電体21に用いた実施例について以下に説明する。
まず、正極活物質としてコバルトの一部をニッケルおよびマンガンで置換したコバルト酸リチウムを100重量部、導電剤としてアセチレンブラックを活物質100重量部に対して2重量部、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを活物質100重量部に対して2重量部とを適量のN−メチル−2−ピロリドンと共に双腕式練合機にて攪拌し混練することで、正極合剤塗料を作製した。ここで正極活物質としてのニッケル酸リチウムは平均粒子径が8μmのものを用い15μm〜25μmの粒子径のものを0.5重量%含有させたものを用いた。
次いでこの塗料を図5(a)に示すような気孔率65%の三次元多孔体の構造をもち、厚みが15μmであるアルミニウムによるエキスパンドメタルを正極集電体21の両面に塗布乾燥した後に総厚が127μmとなるようにプレスすることで、図2に示したように合剤片面厚みが56μmとなるように、正極集電体21上に正極合剤層23を形成した後、図1に示した円筒形のリチウムイオン二次電池で規定する幅にスリット加工し正極板5を作製した。
一方、負極活物質として人造黒鉛を100重量部、結着剤としてスチレン−ブタジエン共重合体ゴム粒子分散体(固形分40重量%)を活物質100重量部に対して2.5重量部(結着剤の固形分換算で1重量部)、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースを活物質100重量部に対して1重量部、および適量の水とともに双腕式練合機にて攪拌し、負極合剤塗料を作製した。
次いで、この塗料を厚みが10μmである銅箔の負極集電体22の両面に塗布乾燥した後に総厚が150μmとなるようにプレスすることで、合剤の片面厚みが70μmとなるように、銅箔の負極集電体22上に負極合剤層24を形成した後、図1に示した円筒形のリチウムイオン二次電池で規定する幅にスリット加工し負極板7を作製した。
これらの正極板5、負極板7および厚みが20μmであるセパレータ9を巻回構成し、所定の長さで切断して電池ケース1内に挿入し、EC・DMC・MEC混合溶媒にLiPF6を1MとVCを3重量部溶解させた電解液を、添加して封口し、図1に示すような円筒形のリチウムイオン二次電池を作製し、実施例3とした。
上記円筒形のリチウムイオン二次電池を評価するために、図2の電極群4の中に意図的に平均粒子形が30μm前後の鉄粉を混入させ、この二次電池を過充電し二次電池の表面温度を測定した。その結果、表面温度が80℃以上に上昇した二次電池は無かった。その後、これらの二次電池の中で80℃以下ではあるが温度上昇があった二次電池を分解して内部を観察した。
その結果、図2に示したように電極群4中に混入した異物20が負極集電体22の両面に負極合剤層24を塗着した負極板7およびセパレータ9を貫通して正極集電体21の両面に正極合剤層23を塗着した正極板5における正極合剤層23と負極集電体22が接触し内部短絡を起こしており、かつ図2中にAで示した内部短絡箇所の拡大図を図5(b)に示したように異物20の周辺部に金属線状部26が溶断している箇所21aが確認された。
以上の結果より上記円筒形のリチウムイオン二次電池において、図2に示したように何らかの要因により電極群4中に異物20が混入し内部短絡を起こした場合には、セパレータ9を貫通して負極集電体22と正極合剤層23が接触することで、この接触箇所で急激な発熱反応が起こり、三次元多孔体構造をもつエキスパンドである金属線状部26が溶断して電流遮断するため熱暴走反応は抑止されることになるものと考えられる。
なお、上記実施例3においては、正極板5のみに多孔体の構造をもつエキスパンドメタルを用いたが、これに限定されるものではなく、正極板5と負極板7の両方に多孔体の構造をもつエキスパンドメタルを用いても同様の効果を得ることが可能である。
また、上記実施例1〜3においては正極集電体21の気孔率として80%、70%および65%の場合の実施例を示したが、この気孔率は85%より大きくなると集電体としての強度が不足することにより正極板5を作製する際に正極板5の切れなどの不具合を生じるため85%以下にすることが好ましい。さらに、多孔度が60%より小さくなると内部短絡を起こした際に溶断すべき金属線状部の断面積が大きくなることで、金属線状部が溶断しにくくなることにより確実な電流遮断ができない可能性がある。
また、上記実施例3において金属多孔体としてエキスパンドメタルを用いたがパンチングメタルを用いることによっても同様の効果がえられる。よって、本発明の非水系二次電池用集電体における気孔率としては、60%以上85%以下であることが好ましく、65%以上80%以下であることがさらに好ましい。
本発明に係る非水系二次電池は、正極集電体または負極集電体の少なくともいずれか一方が多数の空孔を形成するように連続した金属線状部からなる多孔質金属体で構成され、かつ電極板に過電流が流れた際に多孔質金属体の連通した金属線状部を溶断するように構成したことにより、内部短絡等による急激な発熱反応が起こった場合でも、この過電流遮断機能を有する部位が発熱に対して速い応答性で溶断することが可能であり、熱暴走等を引き起こす事態を回避でき、安全性に優れているため電子機器および通信機器の多機能化に伴って高容量化が望まれている携帯用電源等として有用である。
1 電池ケース
2 封口板
3 ガスケット
4 電極群
5 正極板
6 正極リード
7 負極板
8 負極リード
9 セパレータ
15 絶縁板
20 異物
21 正極集電体
21a 金属線状部の溶断した箇所
22 負極集電体
23 正極合剤層
24 負極合剤層
25 短絡電流
26 金属線状部
A 内部短絡箇所
2 封口板
3 ガスケット
4 電極群
5 正極板
6 正極リード
7 負極板
8 負極リード
9 セパレータ
15 絶縁板
20 異物
21 正極集電体
21a 金属線状部の溶断した箇所
22 負極集電体
23 正極合剤層
24 負極合剤層
25 短絡電流
26 金属線状部
A 内部短絡箇所
Claims (9)
- 少なくともリチウム含有複合酸化物よりなる活物質、導電材および結着剤を分散媒にて混練分散した正極合剤塗料を正極集電体上に塗布して構成される正極板あるいは少なくともリチウムを保持しうる材料よりなる活物質および結着剤を分散媒にて混練分散した負極合剤塗料を負極集電体上に塗布して構成される負極板からなる非水系二次電池用電極板であって、前記正極集電体または負極集電体の少なくともいずれか一方が多数の空孔を形成するように連続した金属線状部からなる多孔質金属体で構成され、かつ前記電極板に過電流が流れた際に前記多孔質金属体の連通した金属線状部を溶断するように構成したことを特徴とする非水系二次電池用電極板。
- 前記多孔質金属体が三次元に連なった連続気孔を有する多孔質金属体により構成されることを特徴とする請求項1に記載の非水系二次電池用電極板。
- 前記三次元多孔質金属体の気孔率を60%以上85%以下としたことを特徴とする請求項2に記載の非水系二次電池用電極板。
- 前記三次元多孔質金属体を発泡メタルにより構成したことを特徴とする請求項2に記載の非水系二次電池用電極板。
- 前記三次元多孔質金属体を金属繊維よりなる焼結体で構成したことを特徴とする請求項2に記載の非水系二次電池用電極板。
- 前記多孔質金属体が二次元に連なった連続気孔を有する多孔質金属体により構成されることを特徴とする請求項1に記載の非水系二次電池用電極板。
- 前記二次元多孔質金属体がエキスパンドメタルにより構成されることを特徴とする請求項6に記載の非水系二次電池用電極板。
- 前記二次元多孔質金属体がパンチングメタルにより構成されることを特徴とする請求項6に記載の非水系二次電池用電極板。
- 請求項1〜8のいずれか一つに記載の非水系二次電池用電極板と対極となる電極板とをセパレータを介して巻回または積層して構成した電極群を非水系電解液とともに電池ケースに封入して構成したことを特徴とする非水系二次電池。
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